《编程之美》学习笔记——指挥CPU占用率

问题:

写一个程序。让用户来决定Windows任务管理器（Task Manager）的CPU占用率（单核）。

有下面几种情况： 1.CPU占用率固定在50%，为一条直线 2.CPU的占用率为一条直线，详细占用率由命令行參数决定（范围1~100） 3.CPU的占用率状态为一条正弦曲线 4.多核处理器情况下上述问题怎么解决

分析与解答

首先确定CPU占用率的定义，即在任务管理器的一个刷新周期内。CPU忙（运行应用程序）的时间和刷新周期总时间的比率，就是CPU的占用率。也能够说成，任务管理器中显示的是每一个刷新周期内CPU占用率的统计平均值。 所以能够写个程序。在一个刷新周期中。一会儿忙，一会儿闲，调节忙/闲比例，就能够控制CPU占有率了。

一个刷新时间是多久，书上说，通过对任务管理器观測，大约是1秒。鼠标移动、后台程序等都会对曲线造成影响！

单核环境下。空死循环会导致100%的CPU占用率。双核环境下，CPU总占用率大约为50%。四核是25%左右。

解法一：简单解法 

Busy用可循环来实现，for(i=0;i<n;i++) ; 相应的汇编语言为 loop； mov dx i ；将i置入dx寄存器 inc dx ；将dx寄存器加1 mov dx i ；将dx中的值赋回i cmp i n ；比較i和n j1 loop 。i小于n时则反复循环

我的cpu是 I5 2410M 2.30GHZ（双核四线程，如图）  由于眼下的cpu每一个时钟周期可运行两条以上的代码，取平均值2，于是（2300000000*2）/5=920000000（循环/秒） 每秒能够运行循环920000000次。

不能简单的取n=920000000然后sleep（1000）。假设让cpu工作1s，歇息1s非常可能是锯齿。先达到一个峰值然后跌入一个非常低的占有率。所以我们睡眠时间改为100ms。100ms比較接近windows的调度时间，n=92000000。假设sleep时间选的太小。会造成线程频繁的唤醒和挂起，无形中添加了内核时间的不确定性因此代码例如以下：

#include <windows.h> int main(void) { //Run on CPU 0(0x00000001)(00000001) //Run on CPU 1(0x00000002)(00000010) //Run on CPU 0 AND CPU 1(0x00000003)(00000101) //Run on CPU 2(0x00000004)(00000100) //...... //SetProcessAffinityMask(GetCurrentProcess(),0x1);//进程与指定cpu绑定 SetThreadAffinityMask(GetCurrentThread(), 0x1);//线程与指定cpu绑定 while(true) { for(int i=0;i<92000000;i++) ; Sleep(100); } return 0; }

使用SetProcessAffinityMask函数。进程与CPU绑定。得到例如以下图。

使用SetThreadAffinityMask函数，进程与CPU绑定，得到例如以下图。

解法二：使用GetTickCount()和Sleep()

GetTickCount()能够得到“系统启动到如今”所经历的时间的毫秒值，最多能够统计49.7天，能够利用GetTickCount()推断循环的时间，代码例如以下：

#include <windows.h> const int busyTime=100; const int idleTime=busyTime; int main(void) { double startTime; SetProcessAffinityMask(GetCurrentProcess(), 0x1); while(true) { startTime=GetTickCount(); while((GetTickCount() - startTime) <= busyTime) { ; } Sleep(idleTime); } return 0; } 效果例如以下图所看到的，与第一种 解法效果差点儿相同，由于都如果当前系统仅仅有当前程序在执行，但实际上，操作系统有非常多程序会同一时候调试执行各种任务，如果此刻进程使用20%的cpu。那我们的程序仅仅有使用30%的cpu才干达到50%的效果。

解法三：能动态适应的解法

使用 .Net Framework提供的PerformanceCounter进行查询。详细代码是用C#写的 using System; using System.Diagnostics; namespace CPU { class Program { static void Main(string[] args) { cpu(1000); } static void cpu(double level) { PerformanceCounter p = new PerformanceCounter("Processor", "% Processor Time", "_Total"); if (p == null) { return; } while (true) { if (p.NextValue() > level) System.Threading.Thread.Sleep(1000); } } } }

解法四：正弦曲线

#include <windows.h> #include <math.h> int main(void) { SetProcessAffinityMask(GetCurrentProcess(), 0x1); const double SPLIT=0.01; const int COUNT=200; const double PI=3.14159265; const int INTERVAL=300; DWORD busySpan[COUNT]; //array of busy time DWORD idleSpan[COUNT]; //array of idle time int half=INTERVAL/2; double radian=0.0; for(int i=0;i<COUNT;i++) { busySpan[i]=(DWORD)(half+(sin(PI*radian)*half)); idleSpan[i]=INTERVAL-busySpan[i]; radian+=SPLIT; } DWORD startTime=0; int j=0; while(true) { j=j%COUNT; startTime=GetTickCount(); while((GetTickCount()-startTime)<=busySpan[j]) ; Sleep(idleSpan[j]); j++; } return 0; }

进一步讨论：

控制CPU占用率。由于要调用Windows的API。要考虑到多核、超线程的情况，要考虑到不同版本号的Windows的计时相关的API的精度不同，使问题变得相当复杂，若再考虑其他程序的CPU占用率，则该问题则变得非常烦人。(taskmgr调用了一个未公开的API)。对CPU核数的推断，书上是调用GetProcessorInfo。事实上能够直接调用GetSystemInfo，SYSTEM_INFO结构的dwNumberOfProcessors成员就是核数。

假设不考虑其他程序的CPU占用情况，能够在每一个核上开一个线程，执行指定的函数。实现每一个核的CPU占用率同样。假设CPU占用率曲线不是周期性变化，就要对每一个t值都要计算一次，否则，能够仅仅计算第一个周期内的各个t值。其他周期的直接取缓存计算结果。

#include<iostream> #include<cmath> #include<windows.h> static int PERIOD = 60 * 1000; //周期ms const int COUNT = 300; //一个周期计算次数 const double GAP_LINEAR = 100; //线性函数时间间隔100ms const double PI = 3.1415926535898; //PI const double GAP = (double)PERIOD / COUNT; //周期函数时间间隔 const double FACTOR = 2 * PI / PERIOD; //周期函数的系数 static double Ratio = 0.5; //线性函数的值 0.5即50% static double Max=0.9; //方波函数的最大值 static double Min=0.1; //方波函数的最小值 typedef double Func(double); //定义一个函数类型 Func*为函数指针 typedef void Solve(Func *calc);//定义函数类型，參数为函数指针Func* inline DWORD get_time() { return GetTickCount(); //操作系统启动到如今所经过的时间ms } double calc_sin(double x) //调用周期函数solve_period的參数 { return (1 + sin(FACTOR * x)) / 2; //y=1/2(1+sin(a*x)) } double calc_fangbo(double x) //调用周期函数solve_period的參数 { //方波函数 if(x<=PERIOD/2) return Max; else return Min; } void solve_period(Func *calc) //线程函数为周期函数 { double x = 0.0; double cache[COUNT]; for (int i = 0; i < COUNT; ++i, x += GAP) cache[i] = calc(x); int count = 0; while(1) { unsigned ta = get_time(); if (count >= COUNT) count = 0; double r = cache[count++]; DWORD busy = r * GAP; while(get_time() - ta < busy) {} Sleep(GAP - busy); } } void solve_linear(Func*) //线程函数为线性函数，參数为空 NULL { const unsigned BUSY = Ratio * GAP_LINEAR; const unsigned IDLE = (1 - Ratio) * GAP_LINEAR; while(1) { unsigned ta = get_time(); while(get_time() - ta < BUSY) {} Sleep(IDLE); } } void run(int i=1,double R=0.5,double T=60000,double max=0.9,double min=0.1) //i为输出状态，R为直线函数的值，T为周期函数的周期，max方波最大值，min方波最小值 { Ratio=R; PERIOD=T; Max=max; Min=min; Func *func[] = {NULL ,calc_sin,calc_fangbo}; //传给Solve的參数。函数指针数组 Solve *solve_func[] = { solve_linear, solve_period}; //Solve函数指针数组 SYSTEM_INFO info; GetSystemInfo(&info); //得到cpu数目 int NUM_CPUS = info.dwNumberOfProcessors; HANDLE *handle = new HANDLE[NUM_CPUS]; DWORD *thread_id = new DWORD[NUM_CPUS]; //线程id switch(i) { case 1: //cpu0 ,cpu1都输出直线 { for (int i = 0; i < NUM_CPUS; ++i) { Func *calc = func[0]; Solve *solve = solve_func[0]; if ((handle[i] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)solve, (VOID*)calc, 0, &thread_id[i])) != NULL) //创建新线程 SetThreadAffinityMask(handle[i], i); //限定线程执行在哪个cpu上 } WaitForSingleObject(handle[0],INFINITE); //等待线程结束 break; } case 2: //cpu0直线，cpu1正弦 { if ((handle[1] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)solve_func[0], (VOID*)func[0], 0, &thread_id[1])) != NULL) //创建新线程 SetThreadAffinityMask(handle[1], 1); //限定线程执行在哪个cpu上 Func *calc = func[1]; Solve *solve = solve_func[1]; if ((handle[0] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)solve, (VOID*)calc, 0, &thread_id[0])) != NULL) //创建新线程 SetThreadAffinityMask(handle[0], 2); //限定线程执行在哪个cpu上 WaitForSingleObject(handle[0],INFINITE); //等待线程结束 break; } case 3: //cpu0直线，cpu1方波 { if ((handle[0] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)solve_func[0], (VOID*)func[0], 0, &thread_id[0])) != NULL) //创建新线程 SetThreadAffinityMask(handle[0], 1); //限定线程执行在哪个cpu上 Func *calc = func[2]; Solve *solve = solve_func[1]; if ((handle[1] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)solve, (VOID*)calc, 0, &thread_id[1])) != NULL) //创建新线程 SetThreadAffinityMask(handle[1], 2); //限定线程执行在哪个cpu上 WaitForSingleObject(handle[0],INFINITE); //等待线程结束 break; } case 4: //cpu0正弦。cpu1方波 { if ((handle[0] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)solve_func[1], (VOID*)func[1], 0, &thread_id[0])) != NULL) //创建新线程 SetThreadAffinityMask(handle[0], 1); //限定线程执行在哪个cpu上 Func *calc = func[2]; Solve *solve = solve_func[1]; if ((handle[1] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)solve, (VOID*)calc, 0, &thread_id[1])) != NULL) //创建新线程 SetThreadAffinityMask(handle[1], 2); //限定线程执行在哪个cpu上 WaitForSingleObject(handle[0],INFINITE); //等待线程结束 break; } default: break; } } void main() { //run(1,0.5); //cpu1 ,cpu2都输出50%的直线 run(2,0.5,30000); //cpu1 0.5直线，cpu2正弦周期30000 //run(3); //cpu1直线，cpu2方波 //run(4,0.8,30000,0.95,0.5); //cpu1正弦。cpu2 0.95-0.5的方波 }

这是是第一次CPU跑直线。第二个CPU跑正弦函数~~~~~~~~·

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